如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化？

幾乎所有大型設(shè)計(jì)項(xiàng)目的首要目標(biāo)都是如何獲得最輕的重量。HyperSizer是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化軟件，是專(zhuān)為含有復(fù)合材料的宇宙飛船設(shè)計(jì)的，其故障容差為零。這些設(shè)計(jì)必須在低重量與高強(qiáng)度之間找到關(guān)鍵性平衡點(diǎn)。風(fēng)電行業(yè)，依然如此。在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，重量起著極其重要的作用。因?yàn)槿~片更輕，它所采用的原材料就更少，就更易于制造和運(yùn)輸，同時(shí)疲勞載荷也就更低。     由于風(fēng)機(jī)葉片故障率仍高居不下（一項(xiàng)對(duì)桑迪亞有記載的風(fēng)電設(shè)備的調(diào)查表明葉片故障率高達(dá)20%），故障停工代價(jià)高，不利于企業(yè)，因此，葉片設(shè)計(jì)師和制造商必須借助最佳方法來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料。     以HyperSizer軟件為例，它是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和尺寸優(yōu)化工具，可自動(dòng)與許多有限元分析（(FEA)）解算器共同工作。在一個(gè)反饋環(huán)路中，HyperSizer軟件與有限元分析（(FEA)）解算器共同探索重量最小化、結(jié)構(gòu)完整性和可制造性最大化的解決方案。該軟件采用一層接一層，甚至一個(gè)有限元接一個(gè)有限元的方式對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)估，對(duì)整套復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。同時(shí)，對(duì)每一種復(fù)合材料層壓板設(shè)計(jì)的一切可能組合進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)師幾乎能夠控制一切設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。     瑞士復(fù)合材料制造商顧瑞特公司的設(shè)計(jì)師揭開(kāi)了通用設(shè)計(jì)的涂層集合，展示了復(fù)合材料轉(zhuǎn)子葉片的復(fù)雜性。HyperSizer軟件可用以優(yōu)化復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)、原材料及接口，從而設(shè)計(jì)出最輕，最耐用的葉片。      改善風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)將會(huì)提高葉片的效率和性能，削減捕獲風(fēng)資源的成本，使風(fēng)能比石化燃料更具競(jìng)爭(zhēng)力。為了增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量，就必須增加葉片的長(zhǎng)度（一個(gè)風(fēng)電機(jī)所能捕獲的風(fēng)能與其葉片長(zhǎng)度面積成正比）。雖然葉片的長(zhǎng)度在不斷增加，但是其重量必須保持盡可能的輕。因?yàn)楦p的質(zhì)量意味著更好的性能，更長(zhǎng)的使用壽命，更低的制造成本和更短的生產(chǎn)周期，所有這些因素都會(huì)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)在能源市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。HyperSizer軟件在航空航天領(lǐng)域留下了寶貴的遺產(chǎn)，它幫助使用者從結(jié)構(gòu)上削減了至少20%的重量，如美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA），美國(guó)航空航天公司洛克希德馬丁（Lockheed Martin），波音公司（Boeing）和龐巴迪公司（Bombardier）。HyperSizer軟件同樣適用于風(fēng)機(jī)葉片。     目前，實(shí)用規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的直徑范圍為40米到90米。但是，處于設(shè)計(jì)階段的概念葉片和原型葉片的直徑驚人的接近145米。隨著葉片變的更長(zhǎng)，設(shè)計(jì)工程問(wèn)題就變得越來(lái)越嚴(yán)重，諸如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞性能、抗彎穩(wěn)定性、葉片硬度、翼尖繞曲度和扭曲限制。簡(jiǎn)言之，葉片的重量必須盡可能的輕，具備足夠維持其空氣動(dòng)力學(xué)形狀的硬度，同時(shí)還要有足夠的耐用性來(lái)承載風(fēng)力載荷且無(wú)材料損傷。此外，大型葉片必須對(duì)重量和硬度進(jìn)行合理布局，避免因氣動(dòng)彈性載荷引起的不穩(wěn)定性。      為了優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)，此軟件從傳統(tǒng)有限元分析結(jié)束的地方開(kāi)始。它以一個(gè)有限元模型開(kāi)始，同時(shí)與有限元分析解算器天衣無(wú)縫的結(jié)合，核實(shí)風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)完整性，預(yù)測(cè)所有氣動(dòng)彈性載荷情況的故障模式，確定故障位置與載荷，從而達(dá)到所需的安全系數(shù)。為解決不合格安全因素，或者選擇一種重量更輕的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)大量備選設(shè)計(jì)的尺寸和層壓板進(jìn)行調(diào)查，該軟件可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。從模型的設(shè)置、運(yùn)行到測(cè)試結(jié)果和原始新設(shè)計(jì)的解讀，這一過(guò)程通常僅在4小時(shí)就能完成。      為了對(duì)假定分析方案、行業(yè)研究方案、葉片設(shè)計(jì)的靈敏性進(jìn)行評(píng)估，HyperSizer軟件會(huì)紀(jì)錄風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部部件的載荷，確定一種板梁概念、橫截面尺寸、原材料與接口的最佳組合，風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部部件的載荷通過(guò)有限元分析計(jì)算得出，。為了達(dá)到這一目標(biāo)，該軟件會(huì)對(duì)許多不同的失效模式進(jìn)行分析，所有葉片區(qū)域、一切載荷情況和分析都可實(shí)現(xiàn)正安全邊際（安全系數(shù)為1）。此外，該軟件還可用于板材設(shè)計(jì)。例如，蜂窩板或泡沫夾心結(jié)構(gòu)可能都適宜于剪切腹板，而結(jié)實(shí)的層壓板可能最適合葉片前緣。HyperSizer軟件可檢測(cè)不同的連接口及板材橫截面形狀。 提高葉片的可制造性和疲勞壽命可使片層脫離實(shí)現(xiàn)最小化，從而削減成本。     該軟件避免了人工計(jì)算、離線電子數(shù)據(jù)表、重建模型及長(zhǎng)期運(yùn)行成批作業(yè)。此外，它可對(duì)層片脫離和層片增加模式進(jìn)行評(píng)估，有助于發(fā)現(xiàn)符合強(qiáng)度要求的最輕層壓板，且轉(zhuǎn)移區(qū)域最小。     HyperSizer可對(duì)含有螺栓、粘結(jié)接口（如剪切腹板與表層）的葉片區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。對(duì)螺栓區(qū)域進(jìn)行分析，優(yōu)化連接點(diǎn)的厚度，可防止由較重結(jié)構(gòu)引起過(guò)度建造的一般性問(wèn)題。而對(duì)粘結(jié)接口進(jìn)行的高級(jí)分析則著眼于層間剪切和剝離應(yīng)力、分層及裂紋萌生的研究。     材料的內(nèi)置資料庫(kù)可控制材料的溫度及濕度依賴(lài)性性能，同時(shí)內(nèi)置資料庫(kù)可根據(jù)軟件公司及項(xiàng)目資料進(jìn)行定制。數(shù)據(jù)庫(kù)包括金屬物質(zhì)（各向同性）、石墨和玻纖系統(tǒng)，夾芯板（蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)、合成結(jié)構(gòu)），混成積層板（膠帶、織物和金屬箔）。有了這一材料清單，使用者就可對(duì)100多種基于非有限元分析故障模式的所有載荷情況進(jìn)行分析。